После открытия в 1896 г. французским физиком А. Беккерелем радиоактивного распада и последующего изучения радиоактивных веществ возникла возможность выяснить абсолютный возраст горных пород, содержащих продукты распада. На эту многообещающую возможность указал уже английский геолог Д. Джоли в книге «Радиоактивность и геология», вышедшей в 1909 г. А в 30-х годах появились расчеты длительности геологических эр и периодов в миллионах лет. Палеонтологи получили возможность судить о скорости эволюции в разные периоды истории Земли. Одной из древнейших пород была признана порода из Карелии с абсолютным возрастом в 1600 млн. лет, что позволило определить общий возраст Земли в 3 млрд. лет. Но в середине 60-х годов были открыты горные породы с абсолютным возрастом 3,5 млрд. лет. Общий возраст Земли определяется теперь, по крайней мере, в 4,5 млрд. лет, а следы жизни известны из архейских слоев с возрастом около 3 млрд. лет.
В 1940 г. И.А. Ефремов объединил все направления по изучению процессов захоронения органических остатков в единую отрасль и предложил именовать ее тафономией. Установив условия захоронения и сохранения древних форм животных и растений и определив, в каких местах их обнаружение маловероятно (как, например, в горных районах), тафономия в немалой степени способствовала успешной деятельности палеонтологических экспедиций.
Познание палеонтологической летописи связано, прежде всего, с открытием и описанием новых видов ископаемых организмов. Но рост общего числа известных ископаемых форм шел также за счет разделения и повторного описания ранее описанных видов. Для XX в. характерны стремление к упорядочению таксономии, к унификации описаний и привлечению для определения ископаемых ЭВМ, а также возрастание интереса к вопросам теоретической систематики. Пятитомная сводка по ископаемым организмам всего мира, законченная немецким палеонтологом К. Циттелем в 90-х годах прошлого столетия, за полвека настолько устарела, что в 50-х годах нашего века началось издание новых сводок: по палеозоологии — во Франции под редакций Ж. Пивто, по беспозвоночным — в США под редакцией Р. Мура и по ископаемым организмам в целом — в СССР под редакцией Ю.А. Орлова (Ленинская премия, 1967). Монументальный коллективный труд советских палеонтологов — «Основы палеонтологии» в 15 томах (1954–1964) — полный справочник о родах ископаемых животных, растений и протистов.
К числу достижений в прочтении палеонтологической летописи относится также уточнение представлений о давно известных скелетных образованиях и их биологическая расшифровка. Это стало возможным благодаря новым находкам, совершенствованию методов исследования и теоретическому осмысливанию ранее известных фактов.
Так, например, известные палеозойские колониальные морские организмы с роговым скелетом — граптолиты обычно причислялись к типу кишечнополостных. В 1938 г. польский палеонтолог Р. Козловский доказал близость граптолитов к птеробранхиям, о чем предположительно высказывался еще в 1905 г. А. Щепотьев. В результате граптолиты в качестве особого подтипа были отнесены к типу полухордовых. Уникальная коллекция, собранная в Поволжье, в районе Ульяновска, позволила К.А. и Г.К. Кабановым (1959, 1967) с уверенностью заявить, что ростр белемнитов был первоначально мягким образованием и обызвествлялся только вторично. Л.Ш. Давиташвили (1961) показал, что загадочные структуры у динозавров и других ископаемых форм, известные под названием «эксцессивных образований», получают объяснение на основании теории полового отбора как перигамические признаки.